[논문 리뷰] Flashlights: More than A Dozen High-Significance Microlensing Events of Extremely Magnified Stars in Galaxies at Redshifts z=0.7-1.5

Patrick L. Kelly, Wenlei Chen외 24명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 04.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 플래시라이트 프로그램의 초고해상도 허블 우주 망원경 관측을 통해 적색편이 z=0.7–1.5인 은하에서 수십 개의 매우 높은 유의미성을 가진 초거대화된 별의 미세렌즈 효과 사건을 발견하였다. 6개의 허블 프론티어 필드 은하단에서 중력 렌즈 효과를 활용하여, 임계곡선 근처에서 일시적인 밝아짐을 보인 뜨거운 질량이 큰 별과 밀도가 높은 천체를 식별함으로써, 초기 질량 함수, 암흑물질 구성, 고적색편이에서의 은하간 빛에 대한 새로운 제약 조건을 제시한다.

ABSTRACT

Once only accessible in nearby galaxies, we can now study individual stars across much of the observable universe aided by galaxy-cluster gravitational lenses. When a star, compact object, or multiple such objects in the foreground galaxy-cluster lens become aligned, they can magnify a background individual star, and the timescale of a magnification peak can limit its size to tens of AU. The number and frequency of microlensing events therefore opens a window into the population of stars and compact objects, as well as high-redshift stars. To assemble the first statistical sample of stars in order to constrain the initial mass function (IMF) of massive stars at redshift z=0.7-1.5, the abundance of primordial black holes in galaxy-cluster dark matter, and the IMF of the stars making up the intracluster light, we are carrying out a 192-orbit program with the Hubble Space Telescope called "Flashlights," which is now two-thirds complete owing to scheduling challenges. We use the ultrawide F200LP and F350LP long-pass WFC3 UVIS filters and conduct two 16-orbit visits separated by one year. Having an identical roll angle during both visits, while difficult to schedule, yields extremely clean subtraction. Here we report the discovery of more than a dozen bright microlensing events, including multiple examples in the famous "Dragon Arc" discovered in the 1980s, as well as the "Spocks" and "Warhol" arcs that have hosted already known supergiants. The ultradeep observer-frame ultraviolet-through-optical imaging is sensitive to hot stars, which will complement deep James Webb Space Telescope infrared imaging. We are also acquiring Large Binocular Telescope LUCI and Keck-I MOSFIRE near-infrared spectra of the highly magnified arcs to constrain their recent star-formation histories.

연구 동기 및 목표

• z=0.7–1.5에서의 초기 질량 함수(Initial Mass Function, IMF)를 탐색하기 위해 고도로 증폭된 개별 별의 첫 번째 통계적 샘플을 확보하는 것.
• 미세렌즈 사건의 빈도와 시간 스케일을 통해 은하단 어둠침몰의 초기 블랙홀 농도를 제약 조건화하는 것.
• 고적색편이 은하단에서 은하간 빛에 기여하는 별 집단을 조사하는 것.
• 미세렌즈된 별의 위치를 활용하여 임계곡선에 대한 정밀한 제약 조건을 제공함으로써 은하단 렌즈 모델을 개선하는 것.
• 심한 자외선에서 가시광선까지의 이미징을 통해 고적색편이 라이만-브레이크 드롭아웃 샘플에 포함된 저적색편이 간섭체를 식별하고 특성화하는 것.

제안 방법

• 6개의 프론티어 필드 은하단에서 192 궤도에 걸쳐 WFC3/UVIS를 사용하여 F200LP 및 F350LP 장패스 필터를 활용한 초고해상도 반복 허블 우주 망원경 관측을 수행한다.
• 동일한 기울기 각도로 1년 간격의 두 차례 16 궤도 관측을 실시하여 깨끗한 차분 빼기와 정밀한 일시적 신호 탐지가 가능하도록 한다.
• 고정밀 렌즈 모델(예: WSLAP+, GLAFIC, GRALE)을 사용하여 임계곡선을 매핑하고 임계곡선 근처의 미세렌즈 후보를 식별한다.
• 일시적 천체의 광선 곡선을 분석하여 시간 스케일과 임계곡선 근접도를 기반으로 미세렌즈를 다른 변수 천체와 구분한다.
• Keck-I MOSFIRE와 LBT LUCI를 이용한 근적외선 스펙트로스코피를 확보하여 증폭된 호두의 별 형성 역사를 제약 조건화한다.
• HST의 자외선에서 가시광선까지의 이미징 데이터를 향후 제임스 웹 우주 망원경의 적외선 데이터와 융합하여 더 차가운 별을 탐색하고 별 집단의 전체 조사를 완성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미세렌즈 사건의 빈도와 특성으로 제약 조건화된 z=0.7–1.5에서 거대 별의 초기 질량 함수는 무엇인가?
• RQ2 고의미성의 미세렌즈 사건은 은하단 어둠침몰 내 초기 블랙홀 농도에 어떤 제약 조건을 둔다?
• RQ3 고적색편이 은하단의 은하간 빛에 기여하는 별 집단은 국지 우주에서의 별 집단과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 미세렌즈된 별의 위치는 은하단 렌즈 모델의 임계곡선에 대해 개선된 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ5 저적색편이 간섭체는 고적색편이 라이만-브레이크 드롭아웃 샘플을 얼마나 오염시키며, 깊은 자외선 이미징은 이를 어떻게 식별하는 데 도움이 되는가?

주요 결과

• 플래시라이트 프로그램은 적색편이 z=0.7–1.5인 은하에서 12개 이상의 고의미성 미세렌즈 사건을 탐지하였으며, 이는 드래곤 아크(z=0.73), 스포크스 아크(z=1.01), 워홀 아크(z=1.26)에서도 관측되었다.
• 드래곤 아크에서 관측된 3개의 일시적 천체는 임계곡선에 매우 가까이 위치해 있어 WSLAP+ 및 GLAFIC 렌즈 모델에 의해 미세렌즈 사건일 가능성이 매우 높다.
• 아벨 S1063 필드의 저적색편이 아크(z=0.73)에서도 추가로 두 개의 고의미성 일시적 천체가 탐지되었으며, 임계곡선 근처에 위치할 경우 미세렌즈일 가능성이 높다.
• 워홀 아크에서는 청색 초거대 별 쌍의 위치에서 변동성이 관측되어, 밀도가 높은 천체나 별의 존재를 확인하였다.
• 이 연구는 자외선에서 가시광선까지의 민감도를 갖춘 깊은 반복 HST 이미징이 이전에는 고적색편이에서 접근이 어려웠던 뜨거운 거대 별 집단을 드러낼 수 있음을 입증한다.
• 미세렌즈된 별의 위치는 은하단 렌즈 모델의 임계곡선에 대해 새로운 정밀한 제약 조건을 제공하여 모델 정확도를 향상시킨다.